(57)【要約】【課題】  低コストの水中ソナーを実現する。【解決手段】  発振器１１が出力する発振信号が送波器１２〜１５に与えられ、発振信号の周波数と等しい周波数の音波を各送波器１２〜１５がそれぞれ発生する。ダクト１３ｂ〜１５ｂは、移相器として機能し、各放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波の位相を順次異ならせる。各放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波の合成波が、音波ビームとなって指向方向に放射される。ここで、発振器１１の出力する発振信号の周波数を変化させるだけで、音波ビームの指向方向が変化するので、例えば１個の受波器２０があれば、音波ビームを反射する対象物の方向が検出可能である。【選択図】  図１
2006047187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が可変の発振信号を発生する発振器と、
前記発振器に接続され前記発振信号に対応した周波数を持つ音波をそれぞれ発生し、対応して設けられた放射口を通して該音波をそれぞれ水中に放射する複数の送波器と、
前記各放射口から放射される音波を、前記各送波器ごとに固有の遅延量分だけ遅延させる移相手段と、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波で形成される音波ビームの進行方向を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする音波ビーム形成装置。
【請求項２】
前記移相手段は、前記各送波器と前記各放口との間に設けられて該各送波器に固有の長さを有するダクトで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の音波ビーム形成装置。
【請求項３】
前記複数の放射口は、直線上に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の音波ビーム形成装置。
【請求項４】
前記複数の放射口は、等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の音波ビーム形成装置。
【請求項５】
周波数が可変の発振信号を発生する発振器と、
前記発振器に接続され前記発振信号に対応した周波数を持つ音波をそれぞれ発生し、対応して設けられた放射口を通して該音波をそれぞれ水中に放射する複数の送波器と、
前記各放射口から放射される音波を前記各送波器ごとに固有の遅延量分だけ遅延させる移相手段と、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波で形成される音波ビームの進行方向を制御する制御手段と、
前記音波ビームの反射波を受波し、該反射波に対応する受信信号を生成する受波器と、
前記受信信号に基づき、前記音波ビームを反射した対象物の解析を行う解析手段とを、
備えることを特徴とする水中ソナー。
【請求項６】
前記対象物は、魚又は魚群であることを特徴とする請求項５に記載の水中ソナー。
【請求項７】
前記解析手段は、前記対象物の存在する方向を検出することを特徴とする請求項５又は６に記載の水中ソナー。
【請求項８】
前記解析手段は、前記対象物の移動速度を検出することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の水中ソナー。
【請求項９】
前記移相手段は、前記各送波器と前記各放射口との間に設けられて該各送波器に固有の長さを有するダクトで構成されていることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の水中ソナー。
【請求項１０】
前記複数の放射口は、直線上に配列されていることを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項に記載の水中ソナー。
【請求項１１】
前記複数の放射口は、等間隔に配列されていることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の水中ソナー。
【請求項１２】
周波数が可変の発振信号を発生する発振器と、
前記発振器に接続され前記発振信号に対応した周波数を持つ音波をそれぞれ発生し、対応して設けられた放射口を通して該音波をそれぞれ水中に放射する複数の送波器と、
前記各放射口から放射される音波を、前記各送波器ごとに固有の遅延量分だけ遅延させる移相手段と、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波で形成される音波ビームの進行方向を制御する制御手段とを備える音波ビーム形成装置において、
前記発振信号の周波数を変化させる手段を設けておき、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波ビームの進行方向を変化させることを特徴とする音波ビームの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波ビーム形成装置、水中ソナー及び音波ビームの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中ソナーは、水中を伝搬する音波から各種情報を取得する。特許文献１に記載された魚の周波数特性測定装置は、水中ソナーの一種であり、直線上に配置された複数の送受波器を備えている。
【特許文献１】特許第２９４８０９２号公報
【０００３】
特許文献１に記載された魚の周波数特性測定装置では、各送受波器が異なる周波数の音波を発生し、送受波器の配置された直線に垂直な方向に放射している。各送受波器から放射された音波が、魚群や魚等の対象物で反射し、魚の周波数特性測定装置が、魚或いは魚群が反射する音波の周波数を測定する。
【０００４】
また、特許文献１に記載された魚の周波数特性測定装置は、対象物の方向を検出するために、各送受波器に２つの受波素子と、位相差検出器と、変位角演算器とを備えている。対象物から反射した音波を２つの受波素子で受信し、その位相差を位相差検出器で検出し、変位角演算器により、対象物の方向の指向軸（既知）からのずれを求めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の魚の周波数特性測定装置では、各送受波器の指向方向が、送受波器の配置された直線に対して垂直な方向に固定されている。よって、指向方向を変化させたい場合には、複数の送受波器が取付けられているフレーム等を回転させるか、或いは個々の送受波器を回転させる必要があった。フレーム等や個々の送受波器を回転させる機構を採用すると、装置の複雑化と大型化が避けられない。また、保守点検にかかる費用も無視できなくなる。即ち、水中ソナーの低コスト化が困難であった。
【０００６】
また、対象物の方向を検出するために、少なくとも２つの受波素子が必要であると共に、位相差検出器や変位角演算器が必要である。そのため、装置のコストを低減することが困難であった。
【０００７】
本発明は、水中ソナーのコスト低減を可能にする音波ビーム形成装置と、音波ビーム形成装置が組込まれた水中ソナーと、音波ビームの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る音波ビーム形成装置は、周波数が可変の発振信号を発生する発振器と、
前記発振器に接続され前記発振信号に対応した周波数を持つ音波をそれぞれ発生し、対応して設けられた放射口を通して該音波をそれぞれ水中に放射する複数の送波器と、
前記各放射口から放射される音波を、前記各送波器ごとに固有の遅延量分だけ遅延させる移相手段と、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波で形成される音波ビームの進行方向を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
なお、前記移相手段は、前記各送波器と前記各放射口との間に設けられて該各送波器に固有の長さを有するダクトで構成されてもよい。
【００１０】
また、前記複数の放射口は、直線上に配列されていてもよい。
【００１１】
また、前記複数の放射口は、等間隔に配列されていてもよい。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る水中ソナーは、
周波数が可変の発振信号を発生する発振器と、
前記発振器に接続され前記発振信号に対応した周波数を持つ音波をそれぞれ発生し、対応して設けられた放射口を通して該音波をそれぞれ水中に放射する複数の送波器と、
前記各放射口から放射される音波を、前記各送波器ごとに固有の遅延量分だけ遅延させる移相手段と、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波で形成される音波ビームの進行方向を制御する制御手段と、
前記音波ビームの反射波を受波し、該反射波に対応する受信信号を生成する受波器と、
前記受信信号に基づき、前記音波ビームを反射した対象物の解析を行う解析手段とを、
備えることを特徴とする。
【００１３】
この場合、前記対象物は、魚又は魚群であってもよい。
【００１４】
また、前記解析手段は、前記対象物の存在する方向を検出してもよい。
【００１５】
また、前記解析手段は、前記対象物の移動速度を検出してもよい。
【００１６】
また、前記移相手段は、前記各送波器と前記各放射口との間に設けられて該各送波器に固有の長さを有するダクトで構成されてもよい。
【００１７】
また、前記複数の放射口は、直線上に配列されていてもよい。
【００１８】
また、前記複数の放射口は、等間隔に配列されていてもよい。
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明の第３の観点に係る音波ビームの制御方法は、
周波数が可変の発振信号を発生する発振器と、
前記発振器に接続され前記発振信号に対応した周波数を持つ音波をそれぞれ発生し、対応して設けられた放射口を通して該音波をそれぞれ水中に放射する複数の送波器と、
前記各放射口から放射される音波を、前記各送波器ごとに固有の遅延量分だけ遅延させる移相手段と、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波で形成される音波ビームの進行方向を制御する制御手段とを備える音波ビーム形成装置において、
前記発振信号の周波数を変化させる手段を設けておき、
前記発振信号の周波数を変化させることにより、前記複数の放射口から放射される音波ビームの進行方向を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、低コストの水中ソナー等が実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施形態に係る水中ソナーを示す構成図である。
この水中ソナーは、魚或いは魚群等の対象物の位置や移動速度等を探知するものであり、発振器１１と、その発振器１１の出力側に並列に接続された例えば４個の送波器１２，１３，１４，１５と、ダクト１３ｂ，１４ｂ，１５ｂとを備えている。
【００２２】
発振器１１は、周波数が可変の発振信号を発生する回路である。送波器１２〜１５は、その発振信号を音波に変換し、発振信号の周波数と等しい周波数の音波を放射口１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａに向けて放射する。各送波器１３〜１５と放射口１３ａ〜１５ａとの間に、ダクト１３ｂ，１４ｂ，１５ｂがそれぞれ配置されている。ダクト１３ｂ〜１５ｂは、放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波に位相差をつける移相器である。各放射口１２ａ〜１５ａは、直線上に等間隔で配列されている。
【００２３】
ダクト１３ｂの長さは約１４０［ｍｍ］であり、例えば周波数ｆ０が１０ＫＨｚの音波が水中を伝播する際の波長λ０に相当する。ダクト１４ｂの長さは、ダクト１３ｂの２倍である。ダクト１５ｂの長さは、ダクト１３ｂの３倍である。このようなダクト１３ｂ〜１５ｂを配置することにより、発振器１１が周波数１０ＫＨｚの発振信号を出力すると、各放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波の位相が揃うことになる。
【００２４】
発振器１１と、送波器１２〜１５と、ダクト１３ｂ〜１５ｂは、音波ビーム形成回路１０を形成し、指向性を持つ音波ビームを放射する。音波ビームは、各放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波の合成波である。
この水中ソナーは、さらに、受波器２０と、受信器２１と、制御回路２２とを備えている。
【００２５】
受波器２０はマイクロフォン等で構成され、反射波を含む水中音を電気信号に変換する。受信器２１は、電気信号中のノイズ成分等を除去して、反射波に対応する受信信号を抽出して制御回路２２に与える。制御回路２２は、発振器１１に制御信号を与えて発振信号の周波数を指示するとともに、受信器２１から与えられた受信信号に基づき、各種探知を行う。探知では、例えば、対象物としての魚群や魚の存在する方向を検出したり、対象物の移動速度を求めたりする。
【００２６】
次に、図１の水中ソナーの動作を、図２及び図３を参照しつつ説明する。
図２は、水中ソナーの動作の説明図であり、図１の水中ソナーの音波ビーム形成回路が示されている。
図３は、各放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波の説明図であり、各音波を正弦波で示している。
【００２７】
今、発振器１１が、周波数がｆ０（＝１０ＫＨｚ）の発振信号を各送波器１２〜１５に与えると、各送波器１２〜１５は、周波数がｆ０の音波を、それぞれ放射口１２ａ〜１５ａに向けて放射する。
【００２８】
ダクト１３ｂは、放射口１３ａから放射される音波の位相を、放射口１２ａから放射される音波に対して、ダクト１３ｂの長さ１４０［ｍｍ］相当だけ遅らせる。つまり、図３のように、放射口１３ａから放射される音波の位相を、放射口１２ａから放射される音波に対して１波長分遅延させる。
【００２９】
ダクト１４ｂは、放射口１４ａから放射される音波の位相を、放射口１２ａから放射される音波に対して、ダクト１４ｂの長さに相当する２波長分だけ遅らせる。ダクト１５ｂは、放射口１５ａから放射される音波の位相を、放射口１２ａから放射される音波に対して、ダクト１５ｂの長さに相当する３波長分だけ遅らせる。
【００３０】
結果として、周波数がｆ０（＝１０ＫＨｚ）の発振信号を各送波器１２〜１５に与えると、放射口１２ａ〜１５ａから位相の揃った音波が放射される。これにより、放射口１２ａ〜１５ａから放射される音波の合成波面である音波ビームは、図２のように、放射口１２ａ〜１５ａの列に垂直方向を指向方向とし、その指向方向に進行することになる。
【００３１】
音波ビームは、指向方向に存在する対象物に反射して反射波として帰ってくる。受波器２０は、反射波を受波し、電気信号に変換して受信器２１に与える。受信器２１は、電気信号から反射波に相当する成分を抽出して制御回路２２に与える。制御回路２２は、受信器２１から反射波に相当する成分が与えられた場合に、指向方向に対象物が存在すると判定する。
【００３２】
音波ビームを反射した対象物が移動していれば、放射した音波ビームの周波数と反射波の周波数とは異なり、対象物の移動速度に応じてその周波数差が変化する。
【００３３】
制御回路２２は、受信器２１から与えられた反射波に相当する成分に基づき、その対象物の移動速度を計算する。
【００３４】
制御回路２２からの制御信号に応じて、発振器１１が出力する発振信号の周波数を変化させることが可能である。
【００３５】
図４は、発振信号の周波数を高くした場合の音波ビームの説明図である。
図５は、音波間の位相の説明図であり、各送波器１２〜１５がそれぞれ放射する音波Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５を示している。
図６は、音波ビームの偏向方向の説明図である。
【００３６】
発振器１１が出力する発振信号の周波数を高くし、周波数をｆ０からｆ０＋Δｆに変化させると、発振信号の波長がλ０−Δλと短くなり、ダクト１３ｂの長さ（＝λ０）が、送波器１２の発生する音波Ｓ２の波長（λ０−Δλ）よりもΔλだけ長くなる。
【００３７】
同様に、発振信号の周波数をｆ０からｆ０＋Δｆに変化させると、ダクト１４ｂの長さ（＝２λ０）が、送波器１２の発生する音波Ｓ２の波長（λ０−Δλ）の２倍よりも２Δλ長くなる。また、ダクト１５ｂの長さ（＝３λ０）が、送波器１２の発生する音波Ｓ２の波長（λ０−Δλ）の３倍よりも、３Δλ長くなる。
【００３８】
これにより、図５のように、放射口１２ａから放射される音波Ｓ２に対して、各放射口１３ａ〜１５ａから放射される音波Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の位相が、順次Δλずつ遅れることになる。
【００３９】
これにより、音波Ｓ２〜Ｓ５の合成波面である音波ビームの進行方向が、図４のように、放射口１２ａ〜１５ａの列に対して垂直ではなく、白抜き矢印（紙面右）方向に偏向する。
【００４０】
ここで、各放射口１３ａ〜１５ａの隣接する放射口１２ａ〜１４ａとの距離をｘとし、音波ビームの偏向角をθとすると、各放射口１３ａ〜１５ａから放射される音波は、隣接する放射口１２ａ〜１４ａから放射される音波に対してΔλ遅れるので、図６のように表すことができる。
したがって、
ｓｉｎθ＝Δλ／ｘ
となり、θは、
θ＝ｓｉｎ−１（Δλ／ｘ）
で表される。
【００４１】
図７は、発振信号の周波数を低くした場合の音波ビームの説明図である。
図８は、音波間の位相の説明図であり、各送波器１２〜１５からそれぞれ放射される音波Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５を示している。
図９は、音波ビームの偏向方向の説明図である。
【００４２】
発振器１１が出力する発振信号の周波数を低くし、周波数をｆ０からｆ０−Δｆに変化させると、発振信号の波長がλ０＋Δλと長く、ダクト１３ｂの長さ（＝λ０）が、送波器１２の発生する音波Ｓ２の波長（λ０＋Δλ）よりもΔλだけ短くなる。
【００４３】
同様に、発振信号の周波数をｆ０からｆ０−Δｆに変化させると、ダクト１４ｂの長さ（＝２λ０）が、送波器１２の発生する音波Ｓ２の波長（λ０＋Δλ）の２倍よりも２Δλ短くなる。また、ダクト１５ｂの長さ（＝３λ０）が、送波器１２の発生する音波Ｓ２の波長（λ０＋Δλ）の３倍よりも、３Δλ短くなる。
【００４４】
これにより、図７のように、放射口１２ａから放射される音波Ｓ２に対して、各放射口１３ａ〜１５ａから放射される音波Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の位相が、順次Δλずつ進むことになる。
【００４５】
よって、音波Ｓ２〜Ｓ５の合成波面である音波ビームの進行方向が、図８のように、放射口１２ａ〜１５ａの列に対して垂直ではなく、白抜き矢印（紙面左）方向に偏向する。
【００４６】
ここで、各放射口１３ａ〜１５ａの隣接する放射口１２ａ〜１４ａとの距離をｘとし、音波ビームの偏向角をθ１とすると、各放射口１３ａ〜１５ａから放射される音波は、隣接する放射口１２ａ〜１４ａから放射される音波に対してΔλ進むので、図９のように表すことができる。
したがって、
ｓｉｎθ＝Δλ／ｘ
となり、θ１は、
θ１＝ｓｉｎ−１（Δλ／ｘ）
で表される。
【００４７】
このように、発振器１１が出力する発振信号の周波数を変化させることで、音波ビームの指向方向の制御を行うことができる。したがって、対象物の有無や、対象物の移動速度を測定する場合には、送信信号の周波数を制御して電波ビームをその移動物体の方向に向けることにより、これらを測定することができる。
【００４８】
また、音波ビームの指向方向を変化させて反射波の強度を求め、その強度から対象物の存在する方向を検出することも可能である。
【００４９】
以上のように、本実施形態の水中ソナーでは、発振器１１が出力する発振信号の周波数を変化させて、音波ビームの進行方向を偏向させる構成にしている。そのため、個々の送波器１２〜１５の向きを変化させる機構や、配列された送波器１２〜１５を全体に回転させる機構が不要である。また、受波器２０が１つでも、対象物の方向を検出できる。よって、水中ソナーの構成の簡素化、小型化、及び低コスト化が可能である。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、各ダクト１３ｂ〜１５ｂの長さは、発振信号の波長のλ０を基本に設定し、発振信号の周波数の範囲内に対応する波長であったが、これを発振信号の周波数の範囲外の周波数に対応する波長に設定してもよい。この場合、音波ビームの方向は、オフセットされる。
【００５１】
また、送波器１２〜１５の数は、４に限定されるわけではなく、２又は３でもよいし、５以上にしてもよい。
また、制御回路２２は、移動する対象物の存在やその移動速度を検出したが、移動していない対象物の存在を検出してもよい。例えば音波ビームと反射波との時間差を測定することにより、移動しない物体までの距離を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態にかかる水中ソナーを示す構成図である。
【図２】水中ソナーの動作の説明図である。
【図３】各放射口から放射される音波の説明図である。
【図４】発振信号の周波数を高くした場合の音波ビームの説明図である。
【図５】音波間の位相の説明図である。
【図６】音波ビームの偏向方向の説明図である。
【図７】発振信号の周波数を低くくした場合の音波ビームの説明図である。
【図８】音波間の位相の説明図である。
【図９】音波ビームの偏向方向の説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１１            発振器
１２〜１５      送波器
１２ａ〜１５ａ  放射口
１３ｂ〜１５ｂ  ダクト
２０            受波器
２１            受信器
２２            制御回路
【図１】
2006047187.tif 000003
【図２】
2006047187.tif 000004
【図３】
2006047187.tif 000005
【図４】
2006047187.tif 000006
【図５】
2006047187.tif 000007
【図６】
2006047187.tif 000008
【図７】
2006047187.tif 000009
【図８】
2006047187.tif 000010
【図９】
2006047187.tif 000011